《高频电子技术》课程设计说明书-基于AFC调频收音机

1、湖南工学院高频电子技术课程设计说明书课题名称：基于afc调频收音机系部：电气与信息工程系专业：电子信息工程技术班级：电信0802设计人：涂俊华(08400203247)唐 冰(08400230227)龙双民(0840020223)陈永忠(0840020224)指导老师： 曹才开时 间： 2010年6月6日随着信息时代的发展，人们对信息对需求量越来越大在，对信息的质量要求也 越来越高，高频由于其频率高，携带的信息量多，易于传输，在各个方面的应用越 来越广泛，也越来越引起人们的重视。语咅信号频率一般在300i1z3400i1z,传播距离不过数百米，而如果通过电 信号将他直接发送，由天线理论：天线的

2、尺寸必须大于波长的十分之一，也就是说, 如果将语音信号转换成电信号，然后直接发送，其天线的长度必须长达数十公里， 在工程上不易实现，造价极高，而且对于同一个地方只能有一个电台，故在广播发 射中会将频谱搬到较高频率上去，从而实现远距离发射，对于无线广播发射来说， 一般釆用调幅广播和调频广播。afc调频收音机，即自动频率控制收音机，所谓自动频率控制是一种频率的负 反馈控制（简称afc）o输入信号频率乞和压控振荡器简称（vco）的振荡频率力， 通过混频器产生新频率£。根据应用条件，/；、/；和£应满足某一预定关系，/； = i frf（ i ,如果由于某种原因使力偏离预定值，鉴频

3、器便输出相应的误差电压, 经放大后加到vco上，vco则根据控制电压孩的极性和大小调节x，使£偏差减 小。这种调节作用最终使预定关系很小的误差下得以维持，此时环路处于稳定（或 称锁定）状态。调幅广播采用的是常规调幅方式，使用的波段分为中波和短波两种。中波调频 广播的载频为535khz1605kh乙 由于中波在自由空间中的传播特点。一般用于 地区性广播。短波调幅广播的载频为3. 9mhz18mhz,短波传播是靠电离层反射 而实现的，所以传播距离可达数千公里，在调幅广播中，调制信号的最高频率取到 4. 5kiiz,电台这音的间隔厶b29kiiz本文所设计的调频收咅机采用集成芯片tda70

4、8&可将从天线端接收和信号经 过处理，肓接得到音频信号。电源部分采用blf545进行稳压，低放电部分采用lm386 进行功放，故电源可用手机的充电器进行供电，产品具有电路简单，稳定性好，抗 干扰性强，音质佳，使用方便的特点。第1章：课程设计任务书1.1课程设计目的12、课程设计基本要求第2章：调频发送一一接收工作原理2.1发射端工作原理2.2接收端工作原理第3章：电路原理图设计3.1、电路原理图3.2、电源电路 3.3、天线电路3.4、接收电路3.5、调谐电路3.6、低放电路第4章：pcb制作4. 1元件布局图4.2 pcb顶层走线4.3 pcb底层走线第5章：电路调试第6章：设计总结

5、附录：参考文献第1章：课程设计任务书1. k设计目的及要求(1) 了解调频接收机的工作原理及组成；(2) 掌握调频接收机的设计方法；(3) 掌握调频接收机的测试方法。12、课程设计基本要求设计装调一个高频调频接收机。其技术要求:(1) 频率范围：87mhz108mhz(2) 灵敏度:优于10pa(3) 选择性：优于40db(4) 信噪比：>50db(5) 频响：80hz15000hz ± ldb(6) 失真度：80hz15000hzs2%(7) 输出功率:>0.5w(8) 直流电源：9v, 1a第2章：调频接收机工作原理语音信号频率一般在300iiz一一3400iiz,传

6、播距离不过数百米，而如果通过电信号将他直 接发送，由天线理论：天线的尺寸必须大于波长的十分之一，也就是说，如果将语音信号转换 成电信号，然后直接发送，其天线的长度必须长达数十公里，在工程上不易实现，造价极高， 而且对于同一个地区只能有一个电台，故在广播发射中会将频谱搬到较高频率上去，从而实现 远距离发射，一地多台。对于调频而言，中心频率一般为88miiz一108miiz左右。而作为普通 接收者，希望能够听到噪声小，音质高的语音信号，而且成本较低，便于携带等优点。2. 1发射端工作原理保持载波的振幅不变，使其频率或相位按调制信号规律变化，分别称为频率调制（fm）和 相位调制（pm）,由于两种调制

7、都使载波的总相角发生调变，因而统称为角度调制。角度调制是用调制信号去控制载波信号角度（频率或相位）变化的一种信号变换方式。 如果受控的是载波信号的频率，则称频率调制（frequency modulation），简称调频，以fm表 示;若受控的是载波信号的相位，则称为相位调制（phase modulation）,简称调相，以pm表 示。无论是fm还是pm ,载频信号的幅度都不受调制信号的影响。调频波的解调称为鉴频或频率检波，调相波的解调称鉴相或相位检波。与调幅波的检波一 样，鉴频和鉴相也是从已调信号屮还原出原调制信号。角度调制与解调和振幅调制与解调最大的区别在频率变换前后频谱结构的变化不同。其频

8、 率变换前后频谱结构发生了变化，所以属于非线性频率变换。调频波和调相波都表现为相位角的变化，只是变化的规律不同而已。由于频率与相位i'可存 在微分与积分的关系，调频与调相之间也存在着密切的关系，即调频必调相，调相必调频。同 样，鉴频和鉴相也可相互利用，即可以用鉴频的方法实现鉴相，也可以用鉴相的方法实现鉴频。 因此，本章只着重讨论调频信号的产生及解调方法，而对相位调制只做简单的说明和对比。2. 1. 1角度调制的基本原理为了理解调制及解调电路的构成，必须对已调信号有个正确的概念。本节对角度调制信号 进行了分析。（-）调角波的表达式及波形高频振荡信号的一般表达式可用下式表示"=u

9、m cos（如 + %） = um cos 0（f）式中“为高频振荡器的振幅，为高频振荡器的瞬时相角。1. 调频波表达式及波形设调制信号为单一频率信号啲)=5£。9 ,载波信号为uc(t) = ucfri cos贝9根据调频波的定义，调频信号的瞬时角频率“(f)随调制信号线性变化，即w)=仪 += ©. + kf%(8.1)可以看出，瞬时角频率dz)是在调频波的中心频率0的基础上，增加了与“a成止比的瞬时 角频率偏移厶)(乂称角频率偏移或角频偏)。角频偏(“用如下公式表示，w)=匕如=kum cosqr =cosqr(8.2)式111 a%是/()的最人值，称为最人角频偏，

10、与©”对应的/；” = ©“ / 2兀称为最人频偏。 由上式可得 a),n=kfu 弘与u伽成正比；心是比例常数，表示u伽对最大角频偏的控 制能力，它是单位调制电压产生的频偏值，也称为调频灵敏度。在频率调制方式中，©”是衡量信号频率受调制程度的重要参数，也是衡量调频信号质量 的重要指标。比如常用的调频广播，其最大频偏就定为75khzo由图8.1 (b)可看出，瞬时频 率变化范围为fc - /；”£ +也,最大变化值为2a/； -(a)么丿调制信号波形(b)调频波的瞬时频率波形(c)调频波的瞬时相位波形图&1调频波的瞬时频率和瞬时相位波形由于瞬时相

11、位0(f)是瞬时角频率e(f)对时间的积分，则调频波的瞬时相位为(8.3)式中，为信号的初始角频率。为了分析方便，不妨设则式(8.3)变为(p=+ kfuqdt =a)j + a""' singf = coct-mf sinqr =(pc +©(/)(8.4)k fu c(8.5)式中，方=七仝=仞为调频指数，0(0是调频波的瞬时附加相位偏移，简称相移。 a(p(t) = aco(t)d/ = “ sin ilt = mf sin ilt可以看出，相移是频偏的积分。©(”与调制信号相位相差90。(即rticos qr变成sind),如8.1 (c

12、)所示。调频波的调频指数®就是©(/)的最大值，又叫最大相位偏移。®与u肠成正 比(又称调制深度)，与鏡或f反比。图8.2展示了 fm. mf与f的关系。图8.2调频波加f与/；”、f的关系由此可得fm波的数学表达式为ufm = ucmcos(coct + mf sin£lr)(8.6)图8.3是调频波波形。当eg最大时，吠r)也最高，波形密集，当eg为负峰时，频率最低，波 形最疏。因此调频波是波形疏密变化的等幅波。图8.3调频波波形当调制信号是多频信号/(/)时，则调频波的一般表示式为ufm = ucm cos(<ycr + £/(r)

13、jr)(8.7)总之，调频是将消息寄载在频率上而不是在幅度上。也可以说在调频信号中消息是蕴藏于 单位时间内波形数冃或者说零交叉点数冃中。rh于各种干扰作用主要表现在振幅上，而在调频 系统中，可以通过限幅器来消除这种干扰，因此fm波抗干扰能力较强。2. 调相波表达式及波形设调制信号im)= %cosq,调相波的瞬时相位©(/)除了原来载波的相位0/ (设 %二0)夕卜，还附加了一个与调制信号成正比的附加相位也,即调相波的瞬时相 位为(p =cdct + a(0 = coct + kpuq(8.8)=coct + a%” cosqr = co(.t + mp cosqz式屮k产皿iu“,

14、是由调相电路决定的比例常数(rad/v ),又称为调相灵敏度，它表示 单位调制电压所引起的相位偏移值；式中是随着调制信号变化而产牛的附加相移，其波 形如图8.4 (c)所示。皿 =k%=mp为最大相位偏移，又称为调相指数，对于一确定电 路，伽和(7伽成正比。因此调相信号的数学表达式可表示为upm (!) = ucfn cos(©z + mp cos q)(8.9)调相波的波形如图&4 (g)所示，也是等幅疏密波。它与图&1中的调频波相比只是延迟了一段 时间。如不知道原调制信号，则在单频调制的情况下无法从波形上分辨是fm波还是pm波。调相波的相位是变化的，由式(&

15、;8)求导得调相波的瞬时频率为69(z) =-(oc - a69(z) = coc - m q sin qr =(oc - com sinqr (&10)dt英波形如图8.4 (f)所示。式中,为调相波的瞬时角频偏，英波形如图&4 (e)所示。调相波的最大角频偏 % = k詔仙"。iwwwwww _(a)（历图8.4调相波波形图&5调相波afm、mp与f的关系对应调相波的最大频偏仁=叫打2兀=匕乩爲卩兀，它不仅与调制信号的幅度成正比，而 且还与调制频率成正比（这一点与fm不同），其与调制信号的频率和幅度的关系如图8.5所示。 调制频率愈高，频偏也愈大。若规定4

16、/；”值。那么就需限制调制频率。当调制信号是多频信号f（t）时，则调频波的一般表示式为坷预(0 = uc/ri cos(©r +(&11)从表8.1可以看出，调频波和调相波的主耍区别如下：(1) 由于频率与相位之间存在着微分与积分的关系，所以这预示着fm与pm之间是可以 互相转化的。如果先对调制信号积分，然后再进行调相，就对以得到间接调频波。如果先对调 制信号微分，然后用微分结果去进行调频，就可以得到间接调相波。调频波与调相波的关系如 图8.6所示。w图8.6调频波与调相波的关系(2) 调相波的最大频偏不仅与调制信号的幅度成正比，而且还与调制频率成正比；而 调频波的最大频偏4

17、4只与调制信号的幅度成正比，与调制频率无关。正因为如此，调频波和 调相波的频带宽度有了明显差异，我们下节将要讨论这个问题。(3) 调相波的调相指数®只与调制信号的幅度成正比，与调制频率f无关；但调频波的 调频指数加/不仅与调制信号的幅度成正比，而ii与调制频率f成反比。不管调相波还是调频波，其最大角频偏都等于调制指数与调制频率的乘积，即为% ="70 (这里用加代替加/或mp )；因此分析它们的特性时，往往可以合并考虑。(二)调角波的频谱和带宽一般说來，受同一调制信号调制的调频信号和调相信号，它们的频谱结构是不同的。但在 调制信号为单咅信号时，它们的频谱结构类似，因此对它们

18、的分析方法相同。这里用加代替加/ 或?“，它们可以写成统一的调角波表示式，即w(r) = ucm cos(coet + msin/?/)(8.12)1. 调频波的展开式利用三角函数公式展开式(&12)得而cos（msin gf）和sin（msinflr）是周期为2龙/ q的周期性时间函数，可以将它展开为傅氏级数，其基波角频率为g,即00cos(msinqr) = j0(m) + 2工j 2n(m)cos2ricltn=oo(&14)sin(msinqz)= 20 2+i("2)sin 7 + 1)0/n=l式中jn（m ）是宗数为加/的n阶第一类贝塞尔函数。当加、n定

19、时，jn（m ）是定系数，其随加变化的曲线如图8.7, jj/77 ）值，也可由附录2函数表查出。jj/77 ）具有以下特性：jn冋）= （竹）伪偶数j（竹）=-丿_” （仞）伪奇数将式(8.14)代入(&13)中得调角波的级数展开式为叩)"人(肋+ 2工丿 2” (m) cos 2nf2t cos(oct n=(8.15)00j2/i+1 (/7i) sin(2n +1)/2/ sin ilt/:=100=u5 x 丿5)cos(q + nq)th=-oo在图8.7所示的第一类贝塞尔函数曲线中，所有贝塞尔函数都是正负交替变化的非周期函 数，在加的某些值上，函数值为零。与此对

20、应，在某些确定的 值，对应的频率分量为零。 由图&7的函数曲线对以看出，当加一定时，并不是n越大，jn（m）值越小；只是在观较小（加 约小于1）时，j3 随n增大而减小；对于加大于1的情况，有些血（加）幅度会增大，只有这是由贝塞尔函数总的衰减趋势决定的。0.40.20-q2qdmoo时幅度才又减小,图8.7第一类贝塞尔函数曲线2. 调频波的频谱结构和特点将式(&15)进一步展开，有u(t) = u(j()(m) cos coct + j (m) cos(q + f2)t(m) cos(0- qt + j2 (加)cos(69(. + 2/2)/(816)+丿2

21、(加)cos(q - 2f + 丿3 (m) cos(q + 3/-j3(m )cos(q-3/2)( +由上式可知，在单一频率信号调制下，调角信号频谱具有以下特点：(1) 调角信号的频谱不是像振幅调制那样，已调信号是调制信号频谱的线性搬移；而是由 无穷多个频率分量组成的；其中包括载波如或£与无数边频a 土应或£±斤尸，这些边频对 称地分布在载频两边，其幅度収决于调制指数加(它与调制电压uq”成正比)。此调频和调相属于非线性调制。(«)(a) f为常数；(b) 44为常数图8.8单频调制时调频波的频谱图8.8是不同呵时调频信号的频谱，图(a)是保持f不变

22、而改变时的频谱。图(b) 是保持/；”不变而改变f时的频谱。对比图(a)与(b),当加相同时，其频谱的包络形状是 相同的。一般来说，由于贝塞尔函数的特点，在"匕较小(加/约小于1)时，边频分量随n增 大而减小；对于"匕大于1的情况，有些边频分量幅度会增大，只有更远的边频幅度才又减小； 图8.8屮将幅度很小的高次边频忽略了。图8.8 (a)mf是靠增加频偏弘”实现的，因此可以看出，随着增大，调频波屮有影响的边频分暈数目要增多，频谱要展宽。而在图8.8 (b) 中，它是靠减小调制频率而加大虽然有影响的边频分量数目也增加，但频谱并不展宽。了 解这一频谱结构特点，对确定调频信号的带

23、宽是很有用的。至于调相波的频谱的包络形状与调频波的频谱的包络形状类似，两者的区别就是保持/；” 不变而增大f时，频谱要展宽；而当保持f不变时，纣,“增大频谱波并不展宽。这里不多做介 绍了。(2) 调角信号u(/)在电阻rl上消耗的平均功率为2p =(8.17)由于信号的功率只与信号的振幅有关，而调角信号和载波信号的振幅都为ucm ,因此有p二存a pc仪此结果表明，调角波的平均功率与未调载波平均功率相等。当加由零增加时，己调制的载 频功率下降，而分散给其它边频分量。也就是说调制的过程只是进行功率的重新分配，而总功 率不变，其分配的原则与调角指数加有关。从贝塞尔函数曲线可看出，适当选择加值，可使

24、任一特定频率分量(包括载频及任意边频) 达到所耍求的那样小。例如m = 2.405时，丿。(加)= (),在这种情况下，所有功率都在边频中。3. 调角信号的带宽理论上讲，调角信号有无穷多个分量，信号带宽就应包括有无穷多个分量。但实际上，调 角信号屮各边频分量幅度均与丿”(加)成正比，当加一定时，随着边频对数斤的增加， 的数值总的趋势是减小的；特别当n>m时，jn(m)的数值很小，并且其值随着农的增加而 迅速下降。因此，振幅很小的边频分量可以忽略。实际应用小，调角信号的带宽往往是将大于 一定幅度的频率分量包括在内。这样就可以使频带内集中了信号的绝大部分功率，也不致因忽 略其它分量而带来可察

25、觉的失真。所以也可以把调角波近似地认为是具有有限带宽的信号，其 带宽与加密切相关。根据不同要求，工程上常作近似规定，具体如下：(1) 在高质量通信系统中，常以忽略小于未调制载波振幅的1%的边频分量来决定频谱宽 度。若满足关系式jlt(m) > 0.01, j曲(m) <0.01(8.19)则调角波频带宽度为b 2nfb 2nd(8.20)(2) 在屮等质暈通信系统屮，以忽略小于未调制载波振幅10%的边频分量来决定频谱宽度。在一般情况下，当n>m + 1吋，j3 恒小于0.1。因此频谱宽度确定为b = 2(/71 + 1)f = 2(44 + 尸)或3 = 2(血 + 1)g

26、=+ g)(8.21)该式称为卡森(cnrson)公式，调角波的有效频谱宽度常用卡森公式计算。它对应于调频 信号功率的98%左右。若m值不为整数，计算时m的数值应取靠近原数值的整数值。图&9| jn (m) » 0.01的斤/加的关系曲线对于不同的加值，有用边频的数目(2n)可查贝塞尔函数表(见本章附录)或贝塞尔函数 曲线得到。满足| jn (m) |» 0.01的/? / m的关系曲线如图8.9所示。(1)由图可见，当加很大吋,n i m $趋近于1。因此当m » 1吋，应将rt = m的边频包括在频带内，此时称为宽带调角波，其带宽为b = 2nf =

27、2m f = 2a/w（8.22）当加1时，带宽b只与频偏a/；”成比例，而与调制频率f无关。这一点的物理解释是，m» 1 意味着f比4/；”小得多，瞬时频率变化的速度（rflf决定）很慢。这时最大、最小瞬时频率差, 即信号瞬时频率变化的范围就是信号带宽。从这一解释出发，对于任何调制信号波形，只要最 大频偏比调制频率的最高频率大得多，其信号带宽都可以认为是b = o因此，频率调 制是一种恒定带宽的调制，而相位调制就是非恒定带宽的调制。（2）当®很小时，|厶（加）|»|丿2（加）丨、i丿3（加）1，此时可以认为调角波只由载波 和皎±o的边频构成。这种调频波

28、通常称为窄带调频（nbfm）0窄带调频对应的调制指数冋, 一般为0.5以下（也有定为0.3以下）。以1口尸0.5为例，第二边频分量幅度只有第一边频的约1/8, 其它分量就更小，允许忽略。从另一角度看，只保留第一边频对时，引起的寄生振幅调制也较 小，约为10%o此时b = 2f（8.23）当加为小于1的窄带调角时，带宽由第一对边频分量决定，带宽b只随f变化，而与 无关。窄频带调角的振幅谱与一般am波完全相同。但是应该注意到一个原则区别，就是此边 频的合成矢量与载波垂直，这种调制也称为正交调制。由于其频谱与调制信号频谱有线性关系 （即调制过程是频谱的线性搬移），故也是一种线性调制。以上主要讨论单一

29、调制频率调角时的频谱与带宽。当调制信号不是单一频率时，由于 调频是非线性过程，其频谱要复杂得多。根据分析和经验，当多频调制信号调角时，仍可以用 式（&21）來计算调角信号带宽。其中匚应该用峰值频偏。f和加/用最大调制频率凡那和对 应的加。由于调相指数""与f无关，所以b正比于f；调制频率变化时，b随之变化。如果 按最高调制频率fmax ft设计调相信号信道，则在调制频率低时有很大余量，系统频带利用不充 分。因此在模拟通信中调相方式用的很少。综上所述，除了窄带调角外，当调制频率f相同时，调角信号的带宽比振幅调制（am、 dsb、ssb）要大得多。由于信号频带宽，通常f

30、m只用于超短波及频率更高的波段，而pm则 很少使用。而接收端收到的信号正为上面为高频已调信号，为了得到调制信号，必须从这高频信号中 取出，而空间中往往存在多个频道及各种杂波，接收端的天线通过谐振网络，选岀所要电台的屮心频率,2. 2接收端原理调角波的解调就是从调角波中恢复出原调制信号的过程。调频波的解调电路称为频率检波 器或鉴频器（fd）,调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（pd）。（-）调频波的解调方法调频接收机的组成大多是釆用超外差式的，鉴频通常在小频频率上进行的。在调频产生、 传输和调频接收机前端电路屮带来的干扰和噪声对fm信号会产生影响，主要表现为调频信号 出现了寄生调幅和寄生调频

31、。一般在末级中放和鉴频器之间设置限幅器就可以消除由寄生调幅 所引起的输出噪声（具有自动限幅能力的鉴频器，如比例鉴频器就不需此限幅器）。可见，限幅 与鉴频一般是连用的，统称为限幅鉴频器。若调频信号的调频指数较大，它本身就可以抑制寄 生调制。1. 鉴频器的主要性能标鉴频器是一个将输入调频波的瞬时频率f （或频偏纣）变换为相应的解调输出电压如,的变 换器。能全面描述鉴频器主要特性的是鉴频特性曲线，它是指鉴频器的输出电压与瞬时频率 f或频偏纣之间的关系曲线。在线性解调的理想情况下，此曲线为一直线，但实际往往有弯曲， 呈形，简称“s训线，如图&22所示。若峰值点的频偏为纣0吋，则对应于 调频信号

32、的中心频率输出吩=0；当频偏按照调制信号的规律在力左右变化吋，鉴频器 就能检测出fm波所包含的调制信号信息，从而还原出原调制信号。对于鉴频器来讲，要求线 性范围宽线性度好。但在实际上，鉴频特性在两峰之间都存在一定的非线性，通常只有在v = 0 附近才有较好的线性。图&22鉴频特性曲线衡量鉴频器特性主要有以下三个性能指标:1）线性范围5”。在图8.22屮，用峰值带宽来近似衡量鉴频特性线性区宽度，它指的 是鉴频特性曲线左右两个最大值（土冷间对应的频率间隔。鉴频特性曲线一般是左右对称 的，bm = 2fa 0对于鉴频器来讲，要求线性范围宽（久2幼”），线性度好。2）鉴频灵敏度（跨导）s。s。

33、指得是鉴频特性在载频处的斜率，它表示的是单位频偏所能产生的解调输出电压。鉴频灵敏度又叫鉴频跨导，用公式表示为sd -ciuqdfduaf=()(8-41)显然，鉴频灵敏度越高，意味着鉴频特性曲线越陡峭，鉴频能力也越强。也可以理解为鉴频器 将输入频率转换为输出电压的能力或效率，因此，鉴频灵敏度又可以称为鉴频效率。通常希望 鉴频灵敏度要大。3）非线性失真。在b川范围内，因鉴频特性曲线不是理想的线性而引起的失真，称为鉴频器的非线性失真。实际应用中非线性失真应该尽量减小。顺便指出，这里所讲的鉴频能力，是以高输入信噪比为条件的。同am包络检波器一样， 鉴频器也存在当门限效应。鉴频器输入信噪比低于规定的门

34、限值时，鉴频器的输出信噪比将急 剧下降，甚至无法接收。实际上，各种鉴频器都存在门限效应，只是门限电压的大小不同而已。2鉴频方法从fm波中还原调制信号的方法很多，概括起来有四大类：（1）利用fm波过零信息实现鉴频，如脉冲计数式鉴频法（2）将fm波变换成am-fm波，再幅度检波，即可获得原调制信号，如斜率鉴频器等。（3）将fm波变换成fm-pm波，再相位检波，即可获得原调制信号，如相位鉴频器、比 例鉴频器等。（4）利用锁相环路（将在第9章中介绍）来实现频率解调。下面介绍脉冲计数式鉴频法，然后介绍波形变换法。1）脉冲计数式鉴频法从某种意义上讲，信号频率就是信号电压或电流波形单位时间内过零点（或零交点

35、）的次 数。对于脉冲或数字信号，信号频率就是信号脉冲的个数。调频信号瞬吋频率的变化，直接表 现为单位吋间内调频信号过零值点（简称过零点）的疏密变化。调频信号每周期有两个过零点， 由负变为正的过零点称为“正过零点”，由正变为负的过零点称为“负过零点“等。如果在调频信号的每一个负过零点处由电路产生一个幅度为固定值、宽度为t的单极性矩形脉冲。这样就把调 频信号转换成了重复频率与调频信号的瞬时频率相同的单向矩形脉冲序列，如图8.23(a)所示。 这时单位时间内矩形脉冲的数目就反映了调频波的瞬时频率，该脉冲序列幅度的平均值能直接 反映单位时间内矩形脉冲的数目。脉冲个数越多，平均分量越大，脉冲个数越少，平

36、均分量越 小。因此实际应用时，不需要对脉冲直接计数，而只需用一个低通滤波器取出这一反映单位时 间内脉冲个数的平均分量，就能实现鉴频，如图&23 (b)所示。调频脉h h h h h h h h冲序列非线性变换网络|调频脉(b)(a)调频波转换成调频脉冲示意图(b)电路框图图&23脉冲计数式鉴频器原理脉冲计数式鉴频法的鉴频特性的线性度高，最大频偏大，便于集成。但是，其最高工作频 率受脉冲序列的最小脉宽rmin o的限制rmin < 1 /(fc + v0/w),实际工作频率通常小于儿十兆赫兹,一般能工作在10mhz左右。在限幅电路后插入分频电路，可使工作频率提高到儿百兆赫兹

37、左 右。目前，在一些高级的收音机中已开始采用这种电路。2) 振幅鉴频法振幅鉴频器是将等幅的调频信号变换成am-fm波，然后通过包络检波器解调此调频信号,其工作原理如图8.24所示。图中变换电路是这种方法的主要元器件，该变换电路是具有线性频率一电压转换特性的线性网络。实现这种变换的方法有以下儿种。频率幅度变换电路(b)(a)(a)电路框图(b)变换电路特性图8.24振幅鉴频电路原理(1)时域微分法前面已经讲过，当调制信号为复杂信号/(/)时，调频波为% = u 询 cos q/ +心匸 f(r)dr对此式直接微分可得i厂-u = dl = uc + f)dr(8-42)式(842)中电压u的振幅

38、与瞬时频率吠f) = ®+©/©)成正比，因此是一个am-fm波。由 于皎远大于频偏，包络不会出现负值，即不会出现过调幅现象。该信号经包络检波后即可得到 原调制信号，因此微分鉴频器由微分器和包络检波器两部分组成，如图&25(a)所示。(a)电路框图(b)变换电路特性图8.25微分鉴频电路图8.25 (b)为简单的微分鉴频电路，微分作用由电容c完成。图中虚线框内的电路为另 一平衡支路，以消除输击直流分量。由三极管、心和c。构成包络检波器。在实际电路中，由于器件非线性等原因，这种方法的有效的线性鉴频范围是有限的。为了 扩大线性鉴频范围，可以采用较为理想的吋域微

39、分鉴频器，如脉冲计数式鉴频器。(2)斜率鉴频法利用lc谐振回路也可以完成fm波到am-fm波的转换。斜率鉴频法的工作频率在lc谐 振曲线的斜边上变化，所以称为斜率鉴频器。斜率鉴频器通常有单失谐回路斜率鉴频器、双失 谐回路斜率鉴频器以及集成电路中采用的差分峰值斜率鉴频器。我们将在后面详细介绍这种方法。3) 相位鉴频法相位鉴频法的原理是利用变换电路将等幅的调频信号变成fm-pm波，然后把此fm-pm波 和原来输入的调频信号一起加到鉴相器上，就可以通过鉴相器解调此调频信号。其原理框图如 图&26所示。图&26相位鉴频法原理框图相位鉴频法的关键是鉴相器。鉴相器就是用来检出两个信号之间的

40、相位差，完成相位差电 压变换作用的部件或电路。鉴相器的输出电压就是瞬时相位差的函数，在线性鉴相时他与输入相位差成止比。与调幅信号的同步检波器类似，相位检波器也有乘积型和叠加型z分，相应的相位鉴频器 分别称为乘积型相位鉴频器和叠加型相位鉴频器。(1 )乘积型相位鉴频法利用乘积型鉴相器实现鉴频的方法称为乘积型相位鉴频法或积分鉴频法。乘积型鉴相器模 型如图&27所示。图中，输入调相信号= uiin cos(69(.r + kpu);另一路信号为均的同频正 交载波w； = ufim sincoet。则鉴相器的输出为k兀心同=匕0爲cos阳+虽)cos(ej + -)22(8-43)式=y 爲c

41、os(kp% -专)+ cos(20/ + kpu + 彳)中k为乘法器的乘积因子。图8.27乘积型鉴相器框图该信号经过低通滤波器后滤除高频信号，则输出电压为uo=u3二 8s(/如-y) = y ua机 sin伙/如)(8-44)tt由此可见，乘积型鉴相器具有正弦形鉴相特性。当满足sin(wq)|<-时，上式可近似为叫sin 伙丹）三u；屁如=ku°（8-45）由此可见，鉴相器输出与输入信号的相位偏移成正比，可以实现线性鉴相。这种电路既可以实现鉴相，也可以实现鉴频。将输入信号改为调频信号和移相90。的调频 信号之后，就可以实现鉴频，如图&28所示。应当指出，鉴频器既然

42、是频谱的非线性变换电路, 它就不能简单地用乘法器来实现。因此，这里釆用的电路模型是有局限性的，只有在相偏较小 时才近似成立。通常情况下，其中移相网络采用单谐振回路，乘法器采用集成模拟乘法器或（双） 平衡调制器实现。当两输入信号幅度都很大时，由于乘法器内部的限幅作用，鉴相特性趋近于 三角形。图8.28乘积型相位鉴频器框图（2）叠加型相位鉴频法利用證加型鉴相器实现鉴频的方法称为柱加型相位鉴频法。其实现方框图如图&29所示。图8.29叠加型相位鉴频器框图叠加型相位鉴频器的工作过程实际包括两部分：首先，输入调频信号经频率相位变换后变 成fm-pm信号，通过加法器完成欠量相加，将两个信号电压之间

43、的相位差变化相应地变成合 成信号的包络变化（既fm-pm-am信号）；然后由包络检波器将其包络检出。因此，从原理上 讲，叠加型相位鉴频器也可认为是一种振幅鉴频器。（-）叠加型相位鉴频器为了抵消直流项，扩大线性鉴频范围，叠加型相位鉴频器通常采用平衡式电路，差动输出, 如图&30所示。具有线性的频相转换特性的变换电路（移相网络）一般由耦合冋路來实现，因 此也称为耦合回路相位鉴频法。耦合回路的初、次级电压间的相位差随输入调频信号瞬时频率 变化。虚线框内部分为平衡式叠加型鉴相器。耦合冋路可以是互感耦合回路，也可以是电容耦 合回路。另外，兀/2固定相移也由耦合回路引入。图8.30平衡式叠加型鉴相

44、器框图根据耦合冋路的不同，又将叠加型相位鉴频器分为互感耦合型相位鉴频器和电容耦合型相 位鉴频器两种。这里主要介绍互感耦合型相位鉴频器。1. 电路结构和基本原理互感耦合相位鉴频器又称福斯特一西利(foster-seeley)鉴频器，图8.31是其典型电路。它由放大器、频率相位转换网络和平衡式叠加相位鉴频器组成。ud+“d2-）+(a)原理电路(b)等效电路图8.31互感式叠加型相位鉴频器放大器由晶体管组成，它把输入调频波放大，在集电极输出限幅放大后的调频波妁。以互 感m耦合的初、次级双调谐回路为频率相位转换网络。图中，初、次级回路参数相同，即令 g = c? = c ,厶=5 =厶，r=r2=r

45、 k = m /厶，中心频率均为fo fc ( £为调频信号的载 波频率)。调频信号均一方面经隔直电容c“加在后面的两个包络检波器上，另一方面经互感耦 合m在次级回路两端产生调频调相(fm-pm波)处。所以可直接接在高频扼流圈l3上， 在l3上产生端电压血，其等效电路如图8.31 (b)所示。频率相位转换网络使妁和冷在固定 载频上产生固定的9()。相移；当均的瞬时频率在£的基础上线性变化时，妁和色的相位差也在 90。的基础上线性变化。二极管£>2和两个c、rl组成两个平衡的包络检波器，差动输出。在实际屮，鉴频器 电路述可以有其它形式，如接地点改接在下端(图中

46、虚线所示)，检波负载电容用一个电容代替并可省去高频扼流圈。2. 工作原理分析互感耦合相位鉴频器的工作原理可分为移相网络的频率相位变换，加法器的相位幅度变 换和包络检波器的差动检波三个过程。1)频率相位变换网络频率相位变换是由图8.32 (a)所示的互感耦合回路完成的。图8.32 (b)为等效电路。在次级回路均为高q回路，"也互感m较小时，忽略次级回路对初级回路的反射阻抗；考虑初、可忽略；则初级回路电感l|中的电流为心”7喘(8-46)(b)(a)原理电路(b)等效电路图8.32频率相位变换网络初级电流在次级回路产生的感应电动势为(8-47)m厶当次级回路谐振且q值较大时，可以忽略二极

47、管包络检波器等效电阻对次级回路的影响，感应电动势e2在次级冋路形成的电流为ms(f 1q + j col2 _绚(丿q) 匸 叫丿mt巧+ j q厶2 (8-48)l流经c2,在c2上形成的电压为1 mcoc2 厶旳(丿q)/ z 1d + 丿曲 2 - - 7ti (心(8-49)式中= 224/*/ f()称为广义失谐，2 = l/(cr) , a = kq为耦合因子，(p = arctan为次 级冋路的阻抗角。上式表明，与仇2之间的幅值和相位关系都将随输入信号的频率变化。但在£附近幅值 变化不大，而相位变化明显。图8.33 (a)是lc并联谐振回路相频特性曲线，图&33

48、 (b)互 感耦合回路相频特性曲线，即为均与u2之间的相位差(兀/2) - 0与频率的关系。(a) lc并联谐振冋路相频特性(b)互感耦合冋路相频特性图&33频率一相位变换电路的相频特性由此可得图&34所示的频率一相位变换合成矢量图，分成如下三种情况：(1) 当/ = /0=/c时，次级回路谐振，绚与比2之i'可的相位差为龙/2 (引入的固定相差);(2) 当f>f()=fc吋，次级回路呈感性，坷与之间的相位差为(龙/2)龙；(3) 当f<f0=fc吋，次级回路呈容性，妁与勺之间的相位差为0龙/2。(a) f = fc 时(b)/>£ 时时图

49、&34频率一相位变换合成矢量图设调频波瞬时频率的变化范围在耦合回路的通带之内，冃均与冷之间的幅值在瞬时频率的 变化范围之内基本不变。当广义失谐g较小时，0 =则勺与切之i'可的相位差为(龙/2) 0 =兰些纽(8-50)2 fo由式(8-49)和(8-50)可以看出，调频波瞬时频率的变化纣通过耦合回路的频率-相位 变换z后，变成了瞬时相位变化，而且在一定条件下，两者近似成线性关系。因而互感耦合回 路可以作为线性相移网络，其屮固定相差龙/2是由互感形成的。2）相位幅度变换根据图&31 （b）所示，忽略输出电压，则在两个检波二极管上的高频电压分别为ud = w1 +2（8-

50、51）ud2 =络_合成矢量的幅度随坷与$间的相位差发生变化，产生了 fm-pm-am信号，如图8.35所示。分成如下三种情况：（1）f = fq=fc时，畑与畑的振幅相等，即%=%；（2）/ > /0 = fc时，up的振幅大于um的振幅即随着f的增加，两者 差值将加大；（3）/ < /o = fc吋，畑的振幅小于“d2的振幅，即随着f的增加，两者差 值也将加大。（a）/ = /时（b）/>£ 时（c）/v£ 时图8.35互感耦合相位鉴频器的矢量合成图3）检波输出设两个包络检波器的检波系数分别为s kd2 （通常k= kdl = kd ）,则两个包络检

51、波器的输出分别为孩,1 = kdud = k（lludl、uo2 =心|艰| = kd2ud2»鉴频器的输出电斥为 冷=uo - % = kd ©di - ）（ 8-52）按如下三种情况分析可知，（1）时，% f>fo=fc时，udi f<fo=fc时，%=uin,鉴频器输出叫为零;> ud2,鉴频器输出他为正;< ud2,鉴频器输出陽为负。3. 鉴频特性互感耦合回路相位鉴频器的鉴频特性曲线对原点奇对称。随瞬时频偏纣的止负变化，输岀 电压也同时正负变化，如图8.35所示。在瞬时频偏为零时，固定相移为兀/2,利用平衡差动电 路保证输出为零。在频偏不大的

52、情况下，随着频率的变化，“2与妁幅度变化不大而相位变化明 显，鉴频特性近似线性，但当频偏较大时，相位变化趋于缓慢，而址与妁幅度明显下降，从而 引起合成电压下降。实际上，鉴频器的鉴频特性可以认为是移相网络的幅频特性和相频特性相 乘的结果。只有输入的调频信号的频偏在鉴频特性的线性区内，才能不失真地得到原调制信号。互感耦合回路相位鉴频器的鉴频特性与偶合因子a有密切的关系。鉴频灵敏度也与a值有 关。此外a愈大，峰值带宽愈宽。但a太大（如a>3时），曲线的线性度变差、斜率下降。线 性度及斜率下降主要是耦合过紧时，谐振曲线在原点处凹陷过大造成的。为了兼顾鉴频特性的 几个参数，a通常选择在13之间。实

53、际鉴频特性的线性区约在2bm/3之内。值得一提的是，电容耦合相位鉴频器是通过电容来耦合的，耦合系数rfl cm和c决定，易 于调整。并且两回路不需要通过空间的磁耦合，对单独屏蔽，结构也简单。这里不再详细介绍。综上所述，互感耦合回路相位鉴频器中的耦合双回路是一个频率相位变化器，它把fm波 变成fm-pm波u2 ；而fm波妁和fm-pm波u2经耗加后，变成两个amfm波udl和ud2 ； 再经包络检波后即可恢复原调制信号。4. 限幅电路前而所讲的鉴频器不具有自动限幅（软限幅）能力。发射机的调制特性或接收机的谐振曲 线不理想、以及干扰和噪声的影响等，会使鉴频器的输入信号产生寄生调幅，输入信号的幅度

54、变化必将导致相位鉴频器的输出波形失真。通常釆用限幅器来抑制寄生调幅的影响。所谓限幅 器，就是把输入幅度变化的信号变换为输岀幅度恒定的信号的变换电路。在鉴频器屮采用硬限 幅器要求的输入信号电压较大，约13v。因此，其前面的中频放大器的增益要高、级数较多。限幅器分为瞬时限幅器和振幅限幅器两种。脉冲计数式鉴频器中的限幅器属于瞬时限幅器。 振幅限幅器的实现框图由图8.36 （a）所示，由非线性器件完成瞬时限幅作用，在瞬时限幅器后 面接上带通滤波器，取出等幅调频方波中的基波分量，就可以构成振幅限幅器。但这个滤波器 的带宽应足够宽，否则会因滤波器的传输特性不好而引入新的寄生调幅。根据非线性器件的不同，限幅

55、电路一般分为二极管电路、三极管电路和集成电路三类。在低频 电路屮u经讲述过二极管限幅电路（瞬时限幅器）。高频功率放大器在过压区（饱和状态）就是一种三极管限幅器。集成电路屮常用的限幅电路是差分对电路，当输入电压大于100 mv时， 电路就进入限幅状态。振幅限幅器的性能可由图8.36 (b)所示的限幅特性曲线表示。图中，up表示限幅器进入 限幅状态的最小输入信号电压，称为门限电压。对限幅器的要求主要是在限幅区内要有平坦的 限幅特性，门限电压要尽量小。(a)限幅器框图(b)特性曲线图&36限幅器及其特性曲线(三)比例鉴频器对互感耦合相位鉴频器的分析可知，为抑制寄生调幅的影响，相位鉴频器前必须

56、使用限幅 器。但限幅器要求较大的输入信号，这必将导致鉴频器前中放、限幅数的增加。这对那些要求 电路简单、缩小体积、降低成本的调频广播接收机来说是不利的。比例鉴频器具有自动限幅作用，不仅可以减少前面放大器的级数，而且可以避免使用硬限 幅器。因此，比例鉴频器在调频广播接收机及电视接收机中得到了广泛的应用。1.电路结构比例鉴频器与互感耦合叠加型相位鉴频器在电路结构上差异很小，基本电路如图&37 (a)(a)(勿a（a）原理电路（b）等效电路图8.37比例鉴频器比例鉴频器与互感耦合相位鉴频器的电路区别在于：（1）两个二极管的连接极性相反；（2）在电阻（ri+r2）两端并接一个大电容c（）,容量约在10/f数量级。时间常数（& +勺） co很大，约0.10.25 s,远大于低频信号的周期。故在检波过程屮，可认为c。上电压基木不变, 近似为一恒定值e（）；（3）接地点和输出点改变。比例鉴频器的输出电压不是在a、b两端，而是在中点c、d 两端引出。2.工作原理分析比例鉴频器的等效电路如图8.37 （b）所示，电压、电流如图所示。由电路理论可得(8-53)<2(尺2 + 心)-h r. = uc2(8-54)通常电路对称，有r、= r? = r，则若rj>r,则叫=（，2_皿uo = (llc2 叫j =*瓦(比)2 _ u dj(8-55)(8-56